Des chercheurs du LLNL dévoilent de nouvelles informations sur le rôle de l'humidité dans la corrosion de l'aluminium à l'aide d'un supercalculateur Ruby

Dec 09, 2023

7 juin 2023

7 juin 2023 - Des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont effectué des simulations à l'aide du supercalculateur Ruby du laboratoire pour découvrir les mécanismes physiques qui expliquent pourquoi l'humidité contrôle le taux de corrosion atmosphérique de l'aluminium métallique. Leurs recherches sont présentées dans le ACS Journal of Applied Materials and Interfaces.

Les prédictions précises de la durée de vie des composants en aluminium dépendent des évaluations des taux de corrosion. Les modèles à l'échelle de l'ingénierie utilisés pour faire des prédictions de durée de vie au niveau du système sont exprimés en termes de mécanismes physiques et chimiques couplés, y compris la sorption, le transport et les réactions chimiques. Ces mécanismes sont intrinsèquement multi-échelles, ce qui complique à la fois le développement et l'étalonnage de la forme du modèle.

Les taux de corrosion atmosphérique de l'aluminium dépendent de l'humidité relative, qui mesure la quantité d'eau présente sous forme de vapeur autour de la pièce. Comprendre quels processus donnent lieu à ces effets de vitesse peut aider à contraindre la forme des modèles de durée de vie d'ingénierie en termes de paramètres physiques fondamentaux.

Lorsque des surfaces d'aluminium nues sont exposées à l'air, elles réagissent rapidement pour former de l'oxyde d'aluminium. La vapeur d'eau contenue dans l'air humide environnant s'adsorbe alors sur ces surfaces d'oxyde formant un film nanoscopique dont l'épaisseur dépend de l'humidité relative. L'eau de surface condensée fournit un milieu permettant aux ions métalliques de se dissoudre et de se déplacer par diffusion, ce qui est important dans la formation et la croissance des piqûres de corrosion, mais les dimensions nanoscopiques confinées peuvent induire des effets inhabituels.

Pour mieux comprendre comment les ions aluminium se comportent sous confinement dans l'eau sur les surfaces, l'équipe s'est tournée vers des simulations de dynamique moléculaire (DM) de tous les atomes pour obtenir des informations. MD fait relativement peu d'hypothèses sur la façon dont les atomes interagissent et simule directement une trajectoire de mouvements atomiques qui peut être post-traitée pour obtenir des données sur les propriétés des matériaux.

"Parce que le transport diffusif est un processus relativement lent, nous avons dû sélectionner avec soin la façon de modéliser les interactions atomiques", a déclaré Matt Kroonblawd, scientifique du LLNL, co-auteur de l'étude. "La dynamique moléculaire réactive classique offre un compromis souhaitable entre précision et échelles de temps accessibles. L'utilisation de MD réactif signifiait que nous n'avions pas besoin d'assumer la structure de l'espèce d'aluminium aqueuse ou la chimie spécifique de la surface de l'oxyde."

À partir de leurs simulations, l'équipe a observé que les ions aluminium avaient tendance à se localiser près de l'interface air-eau et étaient complètement absents près de l'oxyde. Ce phénomène a été attribué à la fois à la polarisation de surface du film d'eau et à la phase d'eau rigide semblable à de la glace qui se forme près de la surface de l'oxyde.

L'interaction entre ces deux phénomènes d'interface a entraîné des propriétés de transport dépendant de la hauteur dans le film d'eau. Les atomes diffusent très lentement près de l'interface oxyde et ont une diffusivité croissante à mesure que l'on se rapproche de l'interface air-eau. L'épaisseur de l'eau de surface dépend de l'humidité relative, qui corrèle ces effets de confinement à l'échelle nanométrique avec des taux mesurés empiriquement pour la corrosion atmosphérique de l'aluminium.

"Les effets de confinement dans les films d'eau adsorbés par les oxydes sont bien documentés dans la littérature, mais cette nouvelle idée de leur impact direct sur le transport des ions aqueux est extrêmement utile pour comprendre les mécanismes de la corrosion atmosphérique", a expliqué le scientifique du LLNL Jeremy Scher, auteur principal de l'étude.

Les conséquences du confinement à l'échelle nanométrique sur les taux de corrosion sont devenues clairement apparentes lorsque l'équipe a mis à l'échelle ses résultats de DM à l'échelle du continuum. Un modèle de continuum réductionniste unidimensionnel d'une fosse de corrosion d'aluminium a été développé, qui incorpore les coefficients de diffusion d'ions calculés à partir des simulations MD. Ce modèle simple a montré que les vitesses de corrosion peuvent être limitées par la diffusion dans des conditions atmosphériques et sont donc fortement influencées par l'humidité relative.

"Les résultats de cette étude soulignent à quel point il est essentiel de capturer les effets inhabituels à l'échelle nanométrique et leur dépendance à l'humidité lors de la modélisation de la corrosion atmosphérique à des échelles de longueur plus grandes", a déclaré Scher.

Cette étude fait partie d'un nouvel effort de modélisation multi-échelles visant à étendre la boîte à outils Reaction-Sorption Transport and Mechanics (ou ReSorT-M), un cadre de modélisation utilisé par le groupe Materials Aging and Compatibility (MAC) pour aider à éclairer les décisions d'ingénierie dans le domaine des armes et complexes. Programmes d'intégration.

"Déterminer avec précision l'épaisseur de la couche d'eau sur la surface métallique et comprendre comment l'humidité et la température affectent ses propriétés sont cruciaux pour évaluer les problèmes de corrosion pour les besoins programmatiques", a déclaré Sylvie Aubry, scientifique du LLNL, co-auteur de l'étude, et le ReSorT-M. chef d'équipe.

Les chercheurs du LLNL Stephen Weitzner, Tae Wook Heo, Yue Hao, Stephen Castonguay et Susan Carroll ont également contribué à ce travail.

Source : LLNL